CN219590645U - 一种结构光投影光学元件和投影模组 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种结构光投影光学元件和投影模组，涉及成像技术领域，包括：透明基底，透明基底上依次设置有菲涅尔结构层、填充层和衍射层，菲涅尔结构层的折射率大于衍射层的折射率，填充层和衍射层的材料相同。菲涅尔结构层和填充层共同组成菲涅尔透镜，以具备准直作用；衍射层位于填充层之上，填充层和衍射层的材料相同，起到衍射作用。光先通过衍射层，再通过菲涅尔透镜，在保证本申请实施例提供的结构光投影光学元件依旧具备准直和衍射功能的前提下，能够提高模组的对位精度，降低组装成本，有利于投影模组的小型化。加工难度和可靠性与常规的衍射光学元件相同，结构具有更高的工作温度、更广的适用范围，以及更高的生产良率。

Description

一种结构光投影光学元件和投影模组

技术领域

本申请涉及成像技术领域，具体涉及一种结构光投影光学元件和投影模组。

背景技术

结构光技术是一种3D成像技术，其利用投影模组投射特定的图案至物体表面，并通过接收模组采集，根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置及深度信息，进而复原整个深度空间。现有的结构光投影模组如图1所示，一般包括VCSEL激光器01、准直镜02和DOE衍射光学元件03，其中准直镜02位于中间，通过准直镜02对激光器01发射出的光斑进行准直，然后由DOE衍射光学元件03对准直光束进行衍射产生多个光斑图案并投射至物体上。

传统投影模组中，准直镜02和DOE衍射光学元件03为分立元件，使得整个模组具有占用空间大、对位精度低、组装成本高等不足。现有部分技术能够将准直镜02和DOE衍射光学元件03结合到一起，但是同样有着加工难度高、需要添加盖板从而降低模组整体效率、衍射光学元件结构深度过高导致加工良率低等缺点。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种结构光投影光学元件和投影模组，保证准直和衍射的性能前提下，还能够提高投影模组的对位精度、良率，降低组装成本，有利于投影模组的小型化。

本申请实施例的一方面，提供了一种结构光投影光学元件，包括透明基底，所述透明基底上依次设置有菲涅尔结构层、填充层和衍射层，所述菲涅尔结构层的折射率大于所述衍射层的折射率，所述填充层和所述衍射层的材料相同。

可选地，所述菲涅尔结构层包括多个台阶结构，每个所述台阶结构包括沿厚度方向设置的多个同心台阶。

可选地，所述菲涅尔结构层上设置有多个沿所述厚度方向贯穿所述菲涅尔结构层的沟槽，所述沟槽的一端延伸至所述菲涅尔结构层的边缘、另一端向所述菲涅尔结构层的中心延伸。

可选地，所述沟槽的宽度在1.5um-10um之间。

可选地，所述衍射层形成台阶结构，且所述衍射层的台阶方向与所述菲涅尔结构层的台阶方向一致。

可选地，所述菲涅尔结构层的台阶结构的台阶数至少包括四阶或八阶，所述衍射层的台阶结构的台阶数至少包括二阶、四阶或八阶中的任意一种。

可选地，所述透明基底上背离所述菲涅尔结构层的表面设置有保护层。

可选地，所述保护层至少包括氧化铟锡层、抗反射膜层或耐磨层。

本申请实施例的另一方面，提供了一种投影模组，包括：光源以及上述的结构光投影光学元件，所述结构光投影光学元件的衍射层朝向所述光源设置。

可选地，所述菲涅尔结构层和所述填充层形成菲涅尔透镜，所述光源和所述菲涅尔结构层之间的距离为所述菲涅尔透镜的焦距。

本申请实施例提供的结构光投影光学元件和投影模组，在透明基底上依次设置有菲涅尔结构层、填充层和衍射层，菲涅尔结构层和填充层共同组成菲涅尔透镜，以具备准直作用；衍射层位于填充层之上，填充层和衍射层的材料相同，起到衍射作用，且菲涅尔结构层的折射率大于衍射层的折射率。使用本申请实施例提供的结构光投影光学元件的时候，光先通过衍射层，再通过菲涅尔透镜，本申请将传统模组中的衍射光学元件和菲涅尔透镜的位置互换，在保证本申请实施例提供的结构光投影光学元件依旧具备准直和衍射功能的前提下，能够提高模组的对位精度，降低组装成本，有利于投影模组的小型化。同时本申请实施例提供的结构光投影光学元件由相对较低折射率的填充层和其上空气层共同组成，加工难度和可靠性与常规的衍射光学元件相同，结构具有更高的工作温度、更广的适用范围，以及更高的生产良率。

投影模组包括光源以及上述的结构光投影光学元件，结构光投影光学元件的衍射层朝向光源设置。此投影模组在使用的时候，将结构光投影光学元件中衍射层朝向光源放置，光先通过衍射层附加上衍射相位后，再通过菲涅尔透镜附加上准直相位，最后通过透明基层出射，在远处形成目标衍射光斑分布。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是现有技术的结构光投影模组结构示意图；

图2是本实施例提供的结构光投影光学元件结构示意图；

图3是本实施例提供的结构光投影光学元件光路示意图；

图4是本实施例提供的结构光投影光学元件的菲涅尔结构层俯视结构示意图之一；

图5是本实施例提供的结构光投影光学元件的菲涅尔结构层俯视结构示意图之二；

图6是本实施例提供的结构光投影光学元件的菲涅尔结构层俯视结构示意图之三；

图7是本实施例提供的结构光投影光学元件的衍射层俯视结构示意图。

图标：01-激光器；02-准直镜；03-衍射光学元件；100-透明基底；101-菲涅尔结构层；101a-沟槽；102-填充层；103-衍射层。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

专利CN211375111U一种菲涅尔透镜、结构光投影模组及电子设备提到了一种菲涅尔透镜，通过在菲涅尔透镜的工作面设置衍射光学元件能够将准直和衍射功能相结合，有效降低模组占用空间。该方案针对不规则DOE元件加工难度高，且需要添加盖板来保护DOE元件，会降低模组整体效率。

专利CN112835139A一种光学元件及光学模组，提到通过将衍射光学元件与菲涅尔透镜连接，使得结构光学件形成一个整体，同时具有准直和衍射的光学性能。该方案中衍射光学元件位于基底和菲涅尔透镜中间，由高折射率和低折射率的压印胶水组成，因为可用折射率差较小，导致结构深度高，加工良率低，且影响模组整体可工作温度。

常规的结构光投影模组的设置，一般为光源、准直镜02和衍射光学元件03依次设置，如图1所示，即准直镜02位于光源和衍射光学元件03中间，即使是做准直衍射一体化元件，也是在透明基底上先压印DOE结构层，再压印菲涅尔结构层，这样的目的是为了让光源先出射的光先通过准直镜准直为平行光，然后再通过DOE结构层进行衍射。

实际使用中，由于准直镜02和DOE衍射光学元件03均为相位型器件，即光在通过准直镜02和DOE衍射光学元件03时，分别附加一个透过率和额外相位，见公式（1）；当做准直衍射一体化元件时，由于准直层和衍射层之间的距离非常短，远小于准直镜02的焦距，两者可以近似看成一个元件，即透过率为两者透过率相乘，附加相位为两者相位相加,见公式（2）；因此准直镜02和DOE衍射光学元件03可以相互交换位置，而不影响远场光效。

（1）；

（2）；

在结构光投影光学元件中，DOE衍射光学元件03相较于菲涅尔透镜更为敏感，以前的设置中，DOE衍射光学元件03由有相对较高折射率的结构层和有相对较低折射率的填充层组成，由于两者之间的折射率差要小于填充层和空气之间的折射率，导致DOE衍射光学元件03台阶厚度较高，对工艺要求更严格，同时当温度过高时，填充层的材料可能会发生松动或者折射率变化，导致最终的光学效果受到影响。

因此，有鉴于此，本申请实施例提供一种结构光投影光学元件，将现有技术中的衍射光学元件03和菲涅尔透镜的位置互换，在保证本申请实施例提供的结构光投影光学元件依旧具备准直和衍射功能的前提下，能够提高模组的对位精度，降低组装成本，有利于投影模组的小型化。同时本申请实施例提供的结构光投影光学元件的衍射层103由相对较低折射率的填充层102和其上空气层共同组成，加工难度和可靠性与常规的衍射光学元件相同，具有更高的工作温度、更广的适用范围，以及更高的生产良率。

具体地，请参照图2所示，本申请实施例提供一种结构光投影光学元件，包括透明基底100，透明基底100上依次设置有菲涅尔结构层101、填充层102和衍射层103，菲涅尔结构层101的折射率大于衍射层103的折射率，填充层102和衍射层103的材料相同。

透明基底100的组成材料可以是玻璃或者树脂，在透明基底100上设置菲涅尔结构层101，菲涅尔结构层101上设置填充层102，填充层102上设置衍射层103。其中，组成菲涅尔结构层101的材料具有相对较高折射率，组成填充层102和衍射层103的材料相同，具有相对较低折射率；换言之，菲涅尔结构层101的折射率大于衍射层103的折射率。

菲涅尔结构层101和其上的填充层102共同组成菲涅尔透镜，起到准直作用；衍射层103设立在填充层102之上，使用的材料与填充层102相同，起到衍射作用。相较于现有技术，本申请将现有技术中的DOE结构和菲涅尔结构互换，如图3所示，本申请使光先通过衍射层103、再通过菲涅尔透镜，衍射层103由低折射率胶水和空气共同组成，低折射率胶水甚至可以直接使用平常单独加工衍射层103的普通胶水，这样它的加工难度和可工作温度就和普通衍射结构相同，而菲涅尔透镜虽然由高折射率胶和低折射率胶共同组成，但因为它本身加工难度小和容差大，因此影响基本没有。

本申请将衍射层103和菲涅尔透镜集成到一起，通过工艺的方法将其加工到一个元件上，能够显著降低整个模组的尺寸和成本，以及组装误差等。

综上，本申请实施例提供的结构光投影光学元件，在透明基底100上依次设置有菲涅尔结构层101、填充层102和衍射层103，菲涅尔结构层101和填充层102共同组成菲涅尔透镜，以具备准直作用；衍射层103位于填充层102之上，填充层102和衍射层103的材料相同，起到衍射作用，且菲涅尔结构层101的折射率大于衍射层103的折射率。使用本申请实施例提供的结构光投影光学元件的时候，光先通过衍射层103，再通过菲涅尔透镜，本申请将传统模组中的衍射光学元件和菲涅尔透镜的位置互换，在保证本申请实施例提供的结构光投影光学元件依旧具备准直和衍射功能的前提下，能够提高模组的对位精度，降低组装成本，有利于投影模组的小型化。同时本申请实施例提供的结构光投影光学元件由相对较低折射率的填充层102和其上空气层共同组成，加工难度和可靠性与常规的衍射光学元件相同，结构具有更高的工作温度、更广的适用范围，以及更高的生产良率。

进一步地，菲涅尔结构层101包括多个台阶结构，每个台阶结构包括沿厚度方向设置的多个同心台阶，如图4所示。菲涅尔结构层101为台阶型菲涅尔，台阶数目可以是四阶、八阶或者更多。示例地，图2中的菲涅尔结构层101为四阶台阶结构。

可选地，菲涅尔结构层101上设置有多个沿厚度方向贯穿菲涅尔结构层101的沟槽101a，沟槽101a的一端延伸至菲涅尔结构层101的边缘、另一端向菲涅尔结构层101的中心延伸。

菲涅尔结构层101上开沟槽101a，沟槽101a的槽宽可为1.5um - 10um，沟槽101a的形状可以为图5中的十字型或者图6中的米字型。菲涅尔台阶数目决定其聚焦效率，八阶相对四阶聚焦效率更高，但加工更为困难。菲涅尔结构上开槽是为了提高菲涅尔透镜制备过程的良率，在压印步骤排出空气。菲涅尔结构层101的具体设置可参考已公开专利CN115542436A，此处不再赘述。

衍射层103为台阶结构层，示例地，图2中的衍射层103上形成有多个凹槽，多个凹槽的槽顶面共面，以使衍射层103形成二阶台阶结构，且衍射层103的台阶方向与菲涅尔结构层101的台阶方向一致。

衍射层103的台阶数目主要是二阶；可选地，衍射层103的台阶数目还可为四阶或者八阶，其高度由工作波长和使用材料的折射率以及台阶数目共同决定。

如图7所示，衍射层103的俯视图为不规则图案，具体图案由工作波长、使用的Vcsel光源点阵分布和目标衍射光斑分布共同决定，单个图案大小在几微米到几十微米之间，确定好图案后将其进行阵列，得到与菲涅尔结构层101大小相同的最终图案。

菲涅尔透镜和衍射层103的母板制备均可通过DUV极紫外光刻然后刻蚀的方法进行制备，根据其台阶数目决定光刻和刻蚀的次数，两层台阶需要一次光刻和刻蚀，四层台阶需要两次光刻和两次刻蚀，八层台阶需要三次光刻和三次刻蚀。换言之，菲涅尔结构层101上的台阶数为2^N时，光刻、干法刻蚀的次数为N。

在母版制备完成后，可以通过纳米压印的方式进行量产；具体来说，即先通过在透明基底100上压印菲涅尔层结构层，然后涂覆填充层102，再压印衍射层103。

透明基底100上背离菲涅尔结构层101的表面设置有保护层。

透明基底100背离菲涅尔结构层101的表面可以设立光学元件或镀膜来扩展衍射层103的光学性能，如镀抗反膜或耐磨层等；透明基底100背离菲涅尔结构层101的表面也可以添加氧化铟锡层(ITO层)进行保护。

本申请实施例还公开了一种投影模组，包括光源以及上述的结构光投影光学元件，结构光投影光学元件的衍射层103朝向光源设置。

此外，菲涅尔结构层101和填充层102形成菲涅尔透镜，光源和菲涅尔结构层101之间的距离为菲涅尔透镜的焦距。

光源具体可为垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface EmittingLaser，VCSEL），此投影模组在使用的时候，将结构光投影光学元件中衍射层103朝向光源放置，光先通过衍射层103附加上衍射相位后，再通过菲涅尔透镜附加上准直相位，最后通过透明基底100出射，在远处形成目标衍射光斑分布。

传统模组实际使用中，DOE结构是位于基底和菲涅尔结构中间的，光入射和正常模组一样，都是先入射到菲涅尔层中进行准直，然后入射到DOE层进行衍射。但在实际使用中发现，因为多层结构要使用不同折射率的胶水，DOE层需要由高折射率胶水和低折射率胶水共同组成，一方面因为它们之间的折射率差较小，导致DOE需要的深度更深，更难加工；一方面高折射率胶水更容易受到温度的影响，温度升温后，结构会发生形变，而DOE结构相比较于菲涅尔结构更为敏感，发挥的作用在模组中也最为关键，所以这个结构在某些场合不适用。

和传统模组完全不同，本申请将传统模组中的DOE结构和菲涅尔结构互换，本申请光先通过衍射层103，再通过菲涅尔透镜，菲涅尔透镜和衍射层103集成一体，正是因为这是集成结构，菲涅尔透镜和衍射层103之间的间隔远小于菲涅尔透镜的焦距，菲涅尔透镜和衍射层103之间间隔可以控制在10um到几十um之间，相较于菲涅尔透镜本身的焦距一般为几个mm，菲涅尔透镜和衍射层103之间的间距影响非常小，因此理论和实际使用中不会影响光源的正常衍射。投影模组在保留了尺寸小、成本低的优势同时，降低了加工难度，同时提高了可工作范围。

示例地，光源可为垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface EmittingLaser，VCSEL），本申请的结构光投影光学元件能够直接使VCSEL发射的光斑衍射出多个光斑图案阵列后投影至物体上，将分别起准直和衍射作用的菲涅尔透明和衍射层103集成到一起，在满足结构光投影功能的同时，能够有效降低投影模组中元件的对位误差和组装成本，提高元件的制作良率，有利于投影模组的小型化。

该投影模组包含与前述实施例中的结构光投影光学元件相同的结构和有益效果。结构光投影光学元件的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结构光投影光学元件，其特征在于，包括：透明基底，所述透明基底上依次设置有菲涅尔结构层、填充层和衍射层，所述菲涅尔结构层的折射率大于所述衍射层的折射率，所述填充层和所述衍射层的材料相同。

2.根据权利要求1所述的结构光投影光学元件，其特征在于，所述菲涅尔结构层包括多个台阶结构，每个所述台阶结构包括沿厚度方向设置的多个同心台阶。

3.根据权利要求2所述的结构光投影光学元件，其特征在于，所述菲涅尔结构层上设置有多个沿所述厚度方向贯穿所述菲涅尔结构层的沟槽，所述沟槽的一端延伸至所述菲涅尔结构层的边缘、另一端向所述菲涅尔结构层的中心延伸。

4.根据权利要求3所述的结构光投影光学元件，其特征在于，所述沟槽的宽度在1.5um-10um之间。

5.根据权利要求2所述的结构光投影光学元件，其特征在于，所述衍射层形成台阶结构，且所述衍射层的台阶方向与所述菲涅尔结构层的台阶方向一致。

6.根据权利要求5所述的结构光投影光学元件，其特征在于，所述菲涅尔结构层的台阶结构的台阶数至少包括四阶或八阶，所述衍射层的台阶结构的台阶数至少包括二阶、四阶或八阶中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的结构光投影光学元件，其特征在于，所述透明基底上背离所述菲涅尔结构层的表面设置有保护层。

8.根据权利要求7所述的结构光投影光学元件，其特征在于，所述保护层至少包括氧化铟锡层、抗反射膜层或耐磨层。

9.一种投影模组，其特征在于，包括光源以及如权利要求1至7任一项所述的结构光投影光学元件，所述结构光投影光学元件的衍射层朝向所述光源设置。

10.根据权利要求9所述的投影模组，其特征在于，所述菲涅尔结构层和所述填充层形成菲涅尔透镜，所述光源和所述菲涅尔结构层的距离为所述菲涅尔透镜的焦距。